§9–10. Фотосинтез жылдамдығына әсер ететін факторлар
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: фотосинтездің шектеуші факторларын зерттеу және түсіндіру.
Фотосинтез нәтижесі – соңғы өнімдері қандай?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 7-сыныптан 23-параграфты, 8-сыныптан 54-параграфты қайталау керек.
Фотосинтезге әсер ететін факторлар. Тірі ағзадағы физиологиялық үдерістерге сыртқы әрі ішкі әртүрлі факторлар әсер ететіні естеріңде болар. Фотосинтезге әсер ететін ішкі факторларға хлоропласт құрылысының ерекшеліктері, хлорофилл типі, бұл үдеріске қатысатын барлық ферменттер мен тасымалдаушы-молекулалардың биохимиялық құрылымы кіреді. Сыртқы факторларға фотосинтезге қажет қоршаған орта жағдайлары немесе фотосинтезге тікелей қатыспай-ақ өсімдікке кері әсер ететін жағдайлар жатады.
Фотосинтездің жылдамдығы мен тиімділігін арттыратын жағдайларды фотосинтездің шектеуші факторлары деп атайды. Фотосинтез үдерісі жүзеге асуы үшін қандай сыртқы факторлар қажет? Ең алдымен бұл жарық, су және көмірқышқыл газы. Мысалы, тірі жасушадағы барлық дерлік биохимиялық үдерістерді ферменттер бақылайды. Демек, фотосинтез үшін қоршаған орта температурасы маңызды болады. Басты шектеуші факторға фотосинтезді едәуір қиындататын фактор жатады. Мысалы, егер жарық өте аз болса, жарық шектеуші фактор болады. Жарықтануды қалыпты дәрежеге дейін жақсартқан кезде жарық фотосинтезді шектемейтін болады да, енді қандай да басқа жағдай шектеуші фактор болады. Мысалы, ауадағы көмірқышқыл газының мөлшері, оның концентрациясының жоғарылауы фотосинтез деңгейін арттырады. 1905 жылы ағылшын биохимигі Фредерик Блэкман (1866–1947) ғылымға шектеуші фактор түсінігін ең алғаш енгізіп, оның рөліне сипаттама берді.
Блэкман заманында ғалымдар қазір сендер білетін нәрсені білмеді. Кальвин циклінің биохимиялық механизмдері және жарықтың хлорофилмен әрекеттесуі әлі зерттелмеді, су фотолизі үдерісі де белгісіз болатын. Тек көмірқышқыл газы, жарық пен судың жапырақта жойылатыны ғана белгілі болды. Олардың орнына ол жерде оттек пен глюкоза немесе крахмал (молекуласы полимеризация – бір типті ретті қосылыс арқылы глюкоза молекуласынан алынады) түзіледі. Блэкман еңбегінің мәні – ол өсімдік тіршілігіндегі екі жағдайды: жарық пен ауадағы көмірқышқыл газының мөлшерін өзгертті. Ол осы тәжірибелерінен кейін фотосинтез екі: «тез» – жарық және «баяу» қараңғы фазадан тұратынын болжады.
Шектеуші факторлардың маңызы қазіргі кезде жан-жақты зерттелген (9-сурет). Мысалы, қоршаған орта температурасы 25°С болған кезде фотосинтез қарқындылығының артуы тоқтайды. Жануар ағзасында ферменттер жұмысының тиімділігі температура шамамен 40°С-қа артқанға дейін жалғасады. Бірақ өсімдіктерде температура 25°С-тан жоғары көтерілген кезде фотосинтез тиімділігі артпайтын болады. Ал температура әрі қарай артқанда тіпті төмендейді. Лептесіктер жабылып, өсімдік ағзасы суды үнемдей бастайды. Жапырақ жұмсағының жасыл жасушаларына көмірқышқыл газы жеткіліксіз болады, өйткені ол жабық лептесіктер арқылы өсімдікке түсе алмайды. Демек, шектеуші фактор «өте жоғары температура» емес, көмірқышқыл газының СО2 жетіспеуі болады.
Су – өсімдік ағзасы тіршілігі және фотосинтез үшін маңызды жағдайдың бірі. Сонымен қатар су фотолиз реакциясында қолданылады. Ол барлық басқа тіршілік үдерістеріне әсер етеді, цитоплазма тұтқырлығын, жасуша шырынының құрамын, тургор қысымын (14, 15-параграфтарды қараңдар), өсімдіктер бойынша заттар тасымалын, ферменттер жұмысының тиімділігін және т.б. анықтайды. Ғалымдар егер өсімдік, уақытша ылғал жетіспеушілігіне ұшыраса, олардың өнімділігінің елеулі төмендейтінін анықтады.
9-сурет. Фотосинтез үдерісінің қарқындылығы мен жылдамдығына әсер ететін қоршаған ортаның (сыртқы) факторлары
Жарық – фотосинтездің маңызды факторы. Фотосинтез тиімділігі максимал болуы үшін өсімдікке қанша жарық қажет? Ғалымдар мынадай цифрды айтты – 10 000 люкс¹. Жазғы, бұлтсыз шуақ күндегі жарықты салыстыруға 100 000 люкс сәйкес келеді. Демек, табиғи жағдайда өсімдікті күшті жарықтандырудың маңызы жоқ, себебі бұл кезде фотосинтез қарқындылығы артпайды.
Көмірқышқыл газының қазіргі атмосферадағы концентрациясы – 0,03%. Көмірқышқыл газының СО2 концентрациясы 0,3-тен 0,5%-ға дейін өскенде өсімдіктің барлық түрінде фотосинтез тиімділігі артатыны нақты анықталған. Ұзақ әсер еткен 0,5%-дан жоғары СО2 концентрациясы өсімдіктердің көптеген түрлері үшін теріс әсер етеді. Эксперимент жағдайына орналастырған тропиктік түрлер 0,5%-дан жоғары СО2 концентрациясында қарқынды дамыды, бірақ өте тез қартайып, солып қалды. Көмірқышқыл газы мөлшерінің әрі қарай артуы іс жүзінде анықталмаған, бірақ жасанды атмосферада СО2 концентрациясы жоғары 2,5–5% болған жағдайда өсімдіктер тез солып қалған жоқ. Оңтайлы СО2 концентрациясы өсімдік түріне байланысты болса да, оның орташа мәні – 0,1%.
Қоршаған ортадағы ластаушы немесе улы агенттер де шектеуші фактор болуы мүмкін. Мысалы, жапырақ бетіне қонатын шаң лептесіктерді бітеп, күн жарығының және СО2-нің енуіне кедергі келтіреді. Күкірт диоксиді, күйе, мыс қосылыстары және басқа металдар сияқты әртүрлі өнеркәсіп ластаушылары жапырақ қызметін бұзып, фотосинтезді тежейді. Арамшөптерге қарсы бағытталған кейбір гербицидтердің әрекеті де фотосинтезді басатын заттарға негізделген.
Шектеуші факторларды зерттеудің практикалық маңызы өте зор. Себебі мәдени дақылдардың өнімділігі фотосинтез тиімділігіне тікелей байланысты. Барынша көп өнім алу үшін фотосинтездің оңтайлы жағдайларын білу өте маңызды. Ғалымдар мәдени өсімдіктердің әрбір сортына тән органикалық заттар синтезінің тиімділігін арттыру әдістерін жетілдіруде. Фотосинтез үдерісінде жарық пен хлорофилдің рөлін зерттеуге зор мән берген ғалымдардың бірі К.А. Тимирязев болды.
Шектеуші факторлар: сыртқы (жарық, температура, ылғалдылық, СО2 мөлшері) және ішкі: негізгі шектеуші фактор.
Білу және түсіну:
1. Фотосинтезге әсер ететін факторлар дегеніміз не?
2. «Шектеуші факторлар» және «фотосинтездің басқа факторлары» деген ұғымдар арасындағы байланысты анықтаңдар.
Қолдану:
1. Фотосинтез үдерісі үшін температура мен ылғалдың рөлін салыстырыңдар. Бұл екі фактор шынайы экожүйеде қалай байланысты?
2. Фотосинтездің шектеуші факторларын зерттеудің қандай практикалық маңызы бар? Өсімдік фотосинтезін үй-жайда (сыныпта, үйде); бақта (үй жанындағы үлескіде, саяжайда); қала және ауыл көшелерінде қалай жақсартуға болады?
Талдау:
1. Егер өсімдік эксперимент жағдайына орналастырылса, қандай кезеңде қандай фактор шектеуші болатынын талдаңдар.
2. Кестеде берілген эксперимент мәліметтерін график немесе диаграмма түрінде бейнелеңдер. Бұл әртүрлі 3 график (диаграмма) бола ма, жоқ, біреу бола ма өз беттеріңше таңдау жасаңдар.
Синтез:
1. Неге К.А. Тимирязев фотосинтезді «ғарыштық үдеріс» деп атағанын талқылаңдар.
2. Шынайы жағдаятты талқылаңдар: «Эксперимент ретінде кейбір жылыжайларға құбыр арқылы металл қорытатын, отын жағатын өнеркәсіптік кәсіпорындар ауасы беріледі». Фотосинтез және жалпы өсімдік ағзасы үшін қандай жағымды және жағымсыз салдары болуы мүмкін?
Бағалау:
1. Жылыжай шаруашылығындағы фотосинтездің оңтайлы жағдайларын қолдану мүмкіндігін бағалаңдар. Осындай шараларды далада ауылшаруашылығы өсімдіктерін өсірген кезде жүзеге асыруға бола ма?
2. Кейбір эколог-ғалымдардың мынадай пікірін талқылаңдар: «Жылыжай эффектісі соншалықты қауіпті емес. Атмосферада СО2 концентрациясы көбейген кезде фотосинтез үдерісінің қарқындылығы артады. Нәтижесінде атмосферадан көмірқышқыл газының көп бөлігі сіңіріледі де, оттек мөлшері артатын болады».
Бұл теория экожүйеде өсімдіктер (продуценттер) мөлшері артқан соң жануарлар (консументтер) мөлшерінің артуын ескере ме? Қалай ойлайсыңдар, бұл жағдай атмосферадағы О2 және СО2 концентрациясына әсер ете ме?
¹ Люкс – бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) жарықтаудың өлшем бірлігі.